부산대학교 도서관

From the beginning of the Fourth Industrial Revolution, recent attention on advanced manufacturing technology is rapidly growing. Additive manufacturing technology is concerned as one of the major six innovations in manufacturing technology. Recently, additive manufacturing is constantly pioneering innovations in the industry field. In addition, research on advances of additive manufacturing are encouraged due to global competition for technological advantage. Additive manufacturing provides an advantageous freedom that enables forming complex geometries by stacking materials layer by layer according to 3D digital modeling data. However, metal additive manufacturing involves very expensive cost for the equipment and powder materials. Moreover, a lot of factors provoke cost loss from failure of fabrication due to residual stress and dimensional distortion within the process. In order to avoid such problems, simulations for prediction of failure were previously attempted using the thermal-mechanical analysis. However, the simulation has difficulties in considering various parameters, and the simulation requires significant analysis time. It’s difficult to apply such simulation into iterative procedure e.g. design optimization. Therefore, it is necessary to develop a methodology that ensures determination of a clear plan for an optimal design by more effective analysis method.This study aims to present a new framework for optimization of build orientation that ensures successful manufacturing and development of automation module for efficient and fast analysis. Simulations were performed using FEA(finite element analysis) that performs only mechanical analysis, to ensure manufacturing by using inherent strain method to simplify the analysis. Inherent strain was obtained experimentally, and reliability of the simulation was verified on different geometries. As a result, residual stress which causes failure, was predicted, and recoater crash, which causes operation failure of equipment, was identified. An automation module for transformation of geometry to voxel-based FE was developed to overcome difficulties in optimization. The developed automation module provides rapid performance to generate suitable elements and input files for commercial FEA program to perform additive manufacturing simulation. So it can be applied to analysis immediately. To accelerate the automated analysis process, the required support structures in additive manufacturing are directly modeled as FE without a manual design step. For the support structure of the geometry, micro lattice structure is broadly used structure. However, there is difficulty in FE modeling of micro structures. Homogenization theory was applied for efficiency of analysis of micro lattice structure, and the suitability for the application of additive manufacturing simulation was confirmed by comparing with the detailed model. Moreover, a usable database of relative density of the lattice structure was established, which enables easily utilization of the micro lattice structure to the design of the support.Build orientations of part is systematically optimized by utilizing presented methodology within developed automation module. Minimization of residual stress for reducing failure risk of build trades-off against minimization of support volume to save material usage, therefore both objectives are difficult to achieve at the same time. Also, recoater crash must be predicted and excluded to prevent equipment failure. Hence, a multi-objective optimization method is adopted to ensures build success and to save the cost and time. That allows satisfactory product quality and stable fabrication process can be achieved simultaneously. Making optimization of build orientation possible is evidence that the developed automation module and techniques are very useful. The applicability of the proposed optimization framework was verified by applying it to actual parts with geometric complexity, and additive manufacturing part was manufactured based on the optimization results to verify the reliability of presented work.
최근 4차 산업혁명이 시작되며 첨단 제조 기술 분야에 관한 관심이 높아지고 있다. 그중 6대 기술 혁신 분야로 선정된 적층 제조는 산업 분야의 혁신을 선도하고 있으며, 세계 각국의 기술 선점 경쟁으로 인해 관련 연구 및 기술 개발이 급속히 촉진되고 있다. 적층 제조는 3차원 디지털 모델링 데이터로부터 해당 위치에 재료를 층별로 쌓아 복잡한 형태로 바로 구현이 가능한 장점이 있다. 하지만 금속의 적층 제조는 장비 또는 소재의 비용이 매우 많이 들고, 제조 과정에서 발생하는 잔류응력에 기인한 치수 왜곡, 파손 등과 같은 실패 요인으로 큰 비용과 시행착오가 요구된다. 기존에는 이와 같은 문제를 해결하기 위해 유한 요소 해석을 통한 사전 예측이 수행되었다. 그러나 공정의 다양한 변수를 고려하기 어렵고 상당한 해석 시간이 요구되어 최적 설계와 같은 반복 수행에 적용되기 힘들다. 따라서 적층 제조 공정을 단순화하여 빠르게 해석하는 방법과 최적화를 위한 반복 수행의 자동화 방법이 필요하다.본 연구의 목적은 성공적인 적층 제조를 보장하는 빌드 방향 최적화의 새로운 프레임워크(framework)를 제시하고, 효율적이고 빠른 분석을 위한 자동화 모듈의 개발하는 것을 목표로 한다. 적층 제조를 보장하기 위해 유한요소법을 이용한 시뮬레이션이 수행되며, 해석을 단순화하기 위해 고유 변형률 방법이 적용된다. 실험적 방법을 통해 고유 변형률은 획득되며, 이를 적용한 적층 제조 시뮬레이션의 유효성을 검증하였다. 그 결과로 파손을 유발하는 잔류응력을 예측하고, 고장의 요인이 되는 리코터(recoater) 충돌 여부를 확인할 수 있다. 그리고 최적화 적용의 어려움을 해결하기 위해 복셀(voxel) 기반의 유한 요소 모델링 자동화 모듈이 개발되었다. 개발된 자동화 모듈은 빌드 방향에 따라 적층 제조 시뮬레이션에 적합한 요소를 빠르게 생성하고, 바로 해석에 적용될 수 있도록 입력 파일을 생성해 준다. 또한 적층 제조에서 필수적으로 요구되는 서포트 구조를 바로 유한 요소로 모델링하여 해석의 자동화 과정을 용이하게 하였다. 일반적으로 사용되는 서포트 구조는 미세한 격자구조 형태이므로 유한 요소 모델링에 어려움이 있다. 격자구조를 효율적으로 해석하기 위해 균질화 이론이 적용되며, 상세 모델과 비교하여 적층 제조 시뮬레이션의 적용을 위한 적합성을 확인하였다. 그리고 격자구조의 크기에 따라 적용될 수 있도록 데이터베이스를 구축하고 서포트 설계에 직관적으로 사용될 수 있도록 하였다. 적용된 방법론 및 개발된 자동화 모듈을 적용하여 적층 제품의 빌드 방향을 체계적으로 최적화하였다. 빌드 성공을 보장하기 위해 잔류응력을 최소화하고, 재료의 사용을 줄이기 위한 서포트 체적 최소화는 상반(Trade-off)되는 관계를 맺으므로 동시에 달성될 수 없다. 그리고 리코터 충돌과 같은 장비의 고장 요인을 예측하고 이를 배제할 수 있어야 한다. 따라서 다중 목적 최적화 방법과 그 모델을 제시하여 빌드 성공을 보장하고 작업 비용, 시간, 제품 품질 및 성능 개선을 동시에 만족할 수 있도록 하였다. 개발된 자동화 모듈은 매우 유용하게 적용함으로써 빌드 방향 최적화는 수행될 수 있음을 보였다. 그리고 기하학적 복잡성이 있는 실제 제품에 대한 적용으로, 제안된 최적화 프레임워크의 적용성을 확인하였다. 또한 실제 제품 적층을 통하여 최적화 결과의 유용성을 검증하였다.